張雪茂, 董廷旭, 杜華明, 袁 川, 廖傳露, 王 飛

(綿陽師范學(xué)院 資源環(huán)境工程學(xué)院， 生態(tài)安全與保護四川省重點實驗室, 四川 綿陽 621000)

景觀生態(tài)風(fēng)險是指在自然因素或者是人類社會因素的干擾下，不同因素相互交錯作用而對生態(tài)環(huán)境而產(chǎn)生的不利影響[[1-2]。近年來，隨著人類對生態(tài)環(huán)境保護意識的覺醒，對于“人類—自然耦合關(guān)系”的研究在地球系統(tǒng)科學(xué)領(lǐng)域成為了研究熱點[2-3]，景觀生態(tài)風(fēng)險評價作為景觀生態(tài)學(xué)研究的重要部分內(nèi)容之一，倡導(dǎo)將地理學(xué)的水平空間景觀格局異質(zhì)性與生態(tài)學(xué)的垂直空間景觀功能關(guān)聯(lián)性進行交叉融合[4]。為此，許多專家學(xué)者開展了相應(yīng)的研究，從研究對象來看，既有行政區(qū)域[5-6]、城市[7-8]、工礦開采區(qū)[9]等受人類活動干擾較大的區(qū)域，也有高原[10-11]、濕地[12]以及自然保護區(qū)[13]等生境較為脆弱的區(qū)域。從研究方法上可以分為因果分析法、生態(tài)風(fēng)險等級評價法、相對風(fēng)險評價模型、景觀分析法以及數(shù)學(xué)概率模型5大類[14]，如Ayre KK[15]等利用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)建生態(tài)風(fēng)險評估框架，用以評估森林管理和自然干擾對生態(tài)資源的潛在影響；齊潤冰[16]、Cui L[17]、楊彥昆[18]、田鵬[19]等基于景觀格局指數(shù)構(gòu)建景觀生態(tài)風(fēng)險評價模型，從多方面考慮影響因素對大連、秦嶺地區(qū)、重慶三峽庫區(qū)、浙江省等地的景觀生態(tài)風(fēng)險進行評估；李青圃[2]、黃詩曼[20]、常小燕[21]等以景觀格局為基礎(chǔ)，對景觀生態(tài)風(fēng)險的時空異質(zhì)性特征進行探究。由于流域生態(tài)系統(tǒng)本身所具有的復(fù)雜性特點，目前從綜合的視角對整個流域生態(tài)風(fēng)險進行研究的案例較少，目前已有的研究主要集中在尺度較小且經(jīng)濟較為發(fā)達的地區(qū)[22]。流域作為特殊的景觀生態(tài)系統(tǒng)，對特定區(qū)域的水循環(huán)、地表覆被類型、生物多樣性等起著至關(guān)重要的作用，其為人類繁衍、人類活動的開展提供場所，因此以流域為研究尺度具有重要的現(xiàn)實意義[23]。

涪江流域流經(jīng)川西北丘狀高原山區(qū)和盆中丘陵區(qū)，是四川省“十三五”規(guī)劃中構(gòu)建“四區(qū)八帶多點”生態(tài)安全戰(zhàn)略格局中的重要一帶，也是長江流域上游重要的水源地和生態(tài)屏障。對涪江流域展開景觀生態(tài)風(fēng)險評價對維護其生態(tài)環(huán)境的健康發(fā)展，乃至整個長江流域的生態(tài)安全和生產(chǎn)生活水源補給至關(guān)重要。目前對其進行景觀生態(tài)風(fēng)險評價進行相關(guān)的研究尚且不足。本文根據(jù)涪江流域的生態(tài)環(huán)境和經(jīng)濟發(fā)展現(xiàn)狀，從“自然—社會—景觀格局”3個維度選取流域生態(tài)風(fēng)險脅迫因子構(gòu)建評價模型，基于空間主成分分析、空間自相關(guān)分析等方法對涪江流域景觀生態(tài)風(fēng)險的空間異質(zhì)性特征進行研究，為研究區(qū)制定綜合景觀生態(tài)風(fēng)險防范措施提供科學(xué)參考、保護區(qū)域生態(tài)安全和提高流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能等，促進川渝兩地自然與社會的可持續(xù)發(fā)展。

1 研究區(qū)概況、數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

涪江發(fā)源于四川省境內(nèi)的雪寶頂，屬于長江的二級支流，為嘉陵江右岸最大支流，在重慶市的合川區(qū)匯入嘉陵江，見圖1，研究區(qū)位于29.10°—33.04°N，103.30°—106.30°E，流域總面積3.92萬km2。主要有火溪河、白草河、梓潼江、凱江、安居河、通口河、安昌河、郪江、平通河、小安溪10條支流；區(qū)內(nèi)海拔高差高達5 300 m、地勢起伏較為明顯，地形主要以山地和丘陵為主；土壤類型在自然帶的劃分中以黃壤為主；研究區(qū)上游主要以林地為主，植被覆蓋率較高，中下游以耕地和建設(shè)用地為主；主要氣候類型為川西高原氣候和亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，年均溫在14.7～18.2℃，多年平均年降水量在800～1 400 mm，降水量時空分異特征顯著。由于特殊的自然環(huán)境狀況以及人類活動影響的加劇，近年來研究區(qū)內(nèi)崩塌、滑坡、泥石流等自然次生災(zāi)害頻發(fā)，導(dǎo)致流域內(nèi)的景觀格局愈發(fā)破碎，所面臨的景觀生態(tài)風(fēng)險問題愈加的突出。

圖1 涪江流域概況

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究所需的主要數(shù)據(jù)包括地表覆蓋數(shù)據(jù)、DEM數(shù)據(jù)、土壤類型數(shù)據(jù)、植被覆蓋度數(shù)據(jù)、居民點數(shù)據(jù)、工礦用地數(shù)據(jù)等。數(shù)據(jù)來源見表1。

表1 數(shù)據(jù)來源

其中，地表覆蓋數(shù)據(jù)年份為2020年，分辨率為30 m，總體精度為85.72%，Kappa系數(shù)為0.82，可以滿足研究需要；DEM數(shù)據(jù)分辨率為30 m；土壤類型數(shù)據(jù)分辨率為1 000 m；植被覆蓋度指數(shù)(NDVI)利用Landsat8 2018年7月的遙感影像數(shù)據(jù)通過像元二分模型反演計算得出；居民點、工礦用地、河流等數(shù)據(jù)為shp格式1∶25萬的基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)，通過ArcGIS歐式距離計算工具得到研究區(qū)范圍內(nèi)距居民點、距工礦用地距離等柵格數(shù)據(jù)。為保證后續(xù)計算結(jié)果的準(zhǔn)確性，所有的柵格數(shù)據(jù)統(tǒng)一重采樣為30 m×30 m。

2 研究方法

2.1 生態(tài)風(fēng)險評價因子選取

根據(jù)涪江流域的景觀生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀以及經(jīng)濟發(fā)展情況，基于風(fēng)險“源—匯”理論[3]，從自然、社會、景觀格局3個維度選取區(qū)域內(nèi)10個生態(tài)風(fēng)險脅迫因子——高程、坡度、土壤類型、地表覆蓋類型、距河流距離、距工礦用地距離、距居民點距離、香濃均勻度指數(shù)、蔓延度指數(shù)、植被覆蓋度指數(shù)等構(gòu)建流域生態(tài)風(fēng)險評價指標(biāo)體系(表2)。

在自然維度，選擇了海拔、坡度、土壤類型、距水體距離等4個因子，海拔和坡度表征地形要素在土壤侵蝕過程中產(chǎn)生崩塌、滑坡以及泥石流等地質(zhì)災(zāi)害所造成的潛在影響，值越大發(fā)生自然次生災(zāi)害的機率越大，景觀生態(tài)風(fēng)險越高[24]，指標(biāo)分級見表2。坡度對土壤侵蝕的強度有極大的影響，其中3°，8°，15°，25°，35°是不同侵蝕程度的分界線，值越高對土壤的侵蝕越強[25]。土壤的抗侵蝕性能對于植被的水土保持功能以及調(diào)節(jié)局地小氣候具有重要的影響，因此根據(jù)研究區(qū)不同土壤類型的抗侵蝕能力進行分類，土壤抗侵蝕性能越低生態(tài)安全風(fēng)險越高[26]。水體的生態(tài)服務(wù)功能體現(xiàn)在固碳釋氧、調(diào)蓄洪水、提供生物棲息地以及氣候調(diào)節(jié)等方面[27]，大面積的水體對于維持和促進生態(tài)環(huán)境往良好的方向發(fā)展有重要的作用，因此本文將以距水體距離的遠近為標(biāo)準(zhǔn)，距離水體越近的區(qū)域生態(tài)風(fēng)險等級越低，利用自然斷點法進行分級。

在社會維度，選取了距居民點和距工礦用地距離等2個指標(biāo)，人類生產(chǎn)生活行為會對景觀格局產(chǎn)生影響，城市的擴展會對動物的自然棲息地造成嚴(yán)重的損害[28]，人類活動較頻繁的區(qū)域生態(tài)風(fēng)險強度相對而言較高[6]，因此本研究設(shè)定距居民點、距工礦用地距離越近生態(tài)風(fēng)險越高。

在景觀格局維度，選取了香濃均勻度指數(shù)(SHEI)、蔓延度指數(shù)(CONTAG)、地表覆蓋類型以及植被覆蓋度指數(shù)(NDVI)4個指標(biāo)。香濃均勻度指數(shù)和蔓延度指數(shù)通過Fragstats軟件利用移動窗口法進行了可視化處理[29]。香濃均勻度指數(shù)表示不同景觀類型分布的均勻程度，景觀分布均勻度越高的區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)更加穩(wěn)定，因此香濃均勻度指數(shù)值越高風(fēng)險等級越低。蔓延度指數(shù)可以反映區(qū)域景觀的破碎化程度，值越低表示景觀越破碎，對于應(yīng)對外界干擾時的阻力就越低，風(fēng)險等級也就越高。地表覆蓋類型以及植被覆蓋度的分級參考文獻[2]和文獻[30]進行。

2.2 景觀生態(tài)風(fēng)險指數(shù)模型

基于上述所構(gòu)建的景觀生態(tài)風(fēng)險評價指標(biāo)體系，利用空間主成分分析法(SPCA)計算得出每個主成分原始載荷矩陣、貢獻率以及累計貢獻率，將累計貢獻率超過90%的主成分確定為有統(tǒng)計學(xué)意義的主成分[33]。根據(jù)計量地理學(xué)原理[33]計算得出研究區(qū)域每個景觀生態(tài)風(fēng)險脅迫因子的權(quán)重，再結(jié)合ArcGIS的地圖代數(shù)工具進行加權(quán)疊加，最終得出涪江流域景觀生態(tài)風(fēng)險指數(shù)。權(quán)重(1)[34]和景觀生態(tài)風(fēng)險指數(shù)(2)[2]的表達式如下：

(1)

式中：Fj表示權(quán)重；aij表示i因子在第j個主成分中的原始載荷系數(shù)；Gj表示第j個主成分的特征貢獻率。

(2)

式中：E表示景觀生態(tài)風(fēng)險指數(shù)結(jié)果；bij表示第i個柵格對應(yīng)的第j個脅迫因子；Fj表示第j個主成分的權(quán)重。

表2 涪江流域景觀生態(tài)風(fēng)險評價指標(biāo)及分級標(biāo)準(zhǔn)

2.3 空間自相關(guān)分析

空間自相關(guān)性是指在地理空間上越靠近的事物或現(xiàn)象越相似，其基本度量是空間自相關(guān)系數(shù)，可以用全局和局部兩種指標(biāo)進行衡量[35]。本文所用的指標(biāo)為全局空間自相關(guān)，用于描述區(qū)域單元內(nèi)景觀生態(tài)風(fēng)險指數(shù)的整體分布狀況，判斷景觀風(fēng)險指數(shù)在空間上是否存在集聚性的特點，常用全局Moran′sI指數(shù)表示，通過該指數(shù)評估研究區(qū)內(nèi)所有景觀風(fēng)險指數(shù)是集聚分布、離散分布還是隨機分布。表達式如下[36]：

(3)

3 結(jié)果與分析

3.1 主成分分析確定指標(biāo)權(quán)重

本文基于“自然—社會—景觀格局”所選取的10個景觀生態(tài)風(fēng)險脅迫因子，利用空間主成分分析(SPCA)得出前7個主成分的累計方差貢獻率為91.43%(>90%)，因此前7個主成分基本可以對研究區(qū)的景觀生態(tài)風(fēng)險信息進行有效的概括(表3)。從各主成分原始載荷矩陣(表4)中可以得出第1主成分在距河流距離、DEM、蔓延度指數(shù)上的載荷較大，第2主成分在蔓延度、香濃均勻度上的載荷較大，第3主成分在距工礦用地距離上的載荷較大，第4在主成分在香濃均勻度上的載荷較大，第5主成分在坡度、土壤類型以及香濃均勻度上所占的載荷較大，第6主成分在植被覆蓋度和土壤類型上所占的載荷較大，第7主成分在坡度、植被覆蓋度上所占的載荷較大。

表3 各主成分特征值以及累積貢獻率

根據(jù)前7個主成分的初始特征根以及貢獻率按照公式(1)得出各景觀生態(tài)風(fēng)險脅迫因子的權(quán)重值(表4)，從計算結(jié)果可以得出蔓延度指數(shù)(CONTAG)、距水體距離、香濃均勻度指數(shù)(SHEI)、坡度所占比例較大，分別為0.129 3，0.128 0，0.119 7，0.109 8，說明其對涪江流域景觀生態(tài)風(fēng)險評價結(jié)果的影響較大。因此，從計算出的權(quán)重可以得出涪江流域景觀生態(tài)風(fēng)險評價結(jié)果受自然因子和景觀格局因子影響較大，社會因子影響相對較小。

表4 各主成分載荷原始矩陣及權(quán)重

3.2 流域景觀生態(tài)風(fēng)險空間異質(zhì)性分析

研究區(qū)景觀生態(tài)風(fēng)險空間異質(zhì)性特征如圖2所示：(1) 低度生態(tài)風(fēng)險：風(fēng)險指數(shù)為1.30～2.43，主要位于河流、濕地以及植被覆蓋度較高的區(qū)域，面積為5 453.52 km2，在整個研究區(qū)范圍內(nèi)所占比例最小，僅為13.92%，此類區(qū)域距離人類活動場所較遠，受干擾較小。(2) 較低生態(tài)風(fēng)險：風(fēng)險指數(shù)為2.44～2.79，面積為8 117.26 km2，所占研究區(qū)總面積的20.72%，主要的景觀類型以耕地、草地以及灌木為主。(3) 中度生態(tài)風(fēng)險：風(fēng)險指數(shù)為2.80～3.11，較為零星的分布于旌陽、中江、三臺、樂至、安岳、潼南、合川、銅梁、大足以及永川等縣(區(qū))，該生態(tài)風(fēng)險等級在整個研究區(qū)內(nèi)的分布面積為9 957.43 km2，所占整個流域面積的25.43%。(4) 較高生態(tài)風(fēng)險：風(fēng)險指數(shù)為3.12～3.44，主要分布在城鎮(zhèn)建設(shè)用地以及工礦用地等受人為活動干擾強烈的外圍區(qū)域，面積為9 941.48 km2，所占整個研究區(qū)面積25.38%。(5) 高度生態(tài)風(fēng)險：風(fēng)險指數(shù)為3.45～4.51，主要分布于研究區(qū)上游以及中下游工礦用地和居民點集中分布的區(qū)域，總面積為5 697.60 km2，占了整個流域面積14.55%，主要是由于上游地區(qū)海拔較高、坡度較大、土壤易侵蝕，在降水較強的季節(jié)易發(fā)生崩塌、滑坡、泥石流等自然次生災(zāi)害，而中下游居民點分布的區(qū)域的人為活動頻繁，對生態(tài)環(huán)境破壞較大。

3.3 流域景觀生態(tài)風(fēng)險空間關(guān)聯(lián)性分析

基于GeoDa和涪江流域景觀生態(tài)風(fēng)險指數(shù)值，根據(jù)景觀生態(tài)學(xué)原理和空間統(tǒng)計學(xué)中的“共享邊或角”規(guī)則，探討涪江流域景觀生態(tài)風(fēng)險的空間關(guān)聯(lián)性特征，其中正態(tài)分布95%置信區(qū)間雙側(cè)檢驗閾值的臨界值為1.96，Moran′sI指數(shù)為0.631，Z檢驗值為849.90大于1.96，p值<0.05，說明涪江流域景觀生態(tài)風(fēng)險在空間上呈集聚分布模式，空間正相關(guān)性存在顯著特征，即生態(tài)風(fēng)險指數(shù)高的區(qū)域和生態(tài)風(fēng)險指數(shù)低的區(qū)域在空間分布上呈現(xiàn)出較為明顯的集聚特征。進一步更加直觀的顯示4種空間關(guān)聯(lián)模式的分布概況，采用LISA聚類圖進一步可視化涪江流域景觀生態(tài)指數(shù)的分布格局見圖3，其中，研究區(qū)的松潘、平武、北川、安岳、潼南等區(qū)縣形成了顯著的高—高聚類區(qū)，或稱為“熱點”，同時也表明了該聚類區(qū)對研究區(qū)景觀生態(tài)風(fēng)險指數(shù)的關(guān)聯(lián)性具有顯著的影響；高—低和低—高聚類異常區(qū)主要分布范圍較小，主要較為零散的分布在涪江流域的中游地區(qū)；低—低聚類區(qū)，或稱為“冷點”，集中分布于研究區(qū)的梓潼、游仙、鹽亭、中江等區(qū)縣并與涪江水系走向基本吻合。

圖2 涪江流域景觀生態(tài)風(fēng)險等級空間分布

圖3 涪江流域景觀生態(tài)風(fēng)險指數(shù)LISA聚類圖

將研究區(qū)流域生態(tài)風(fēng)險等級空間分布結(jié)果與地表覆蓋類型進行疊加處理，統(tǒng)計得到不同景觀類型所占風(fēng)險等級比例情況(圖4)。結(jié)果顯示，研究區(qū)景觀生態(tài)風(fēng)險等級的空間分布狀況與景觀類型有著密切的關(guān)系。由于灌木、水體以及濕地這3種景觀類型自身的穩(wěn)定性較好，其生態(tài)環(huán)境修復(fù)功能較為完善、抵抗人為干擾的能力較強，因此生態(tài)風(fēng)險等級為低度和較低所占的總面積比例都高達到了88%以上。林地、草地、永久冰川主要集中分布于上游地區(qū)的松潘、平武、北川等縣(區(qū))，由于上游地區(qū)的地形起伏明顯、坡度較大、土壤的抗侵蝕能力較弱，因此研究區(qū)上游雖然以生態(tài)服務(wù)功能較為強的景觀類型為主，但是區(qū)域生態(tài)風(fēng)險等級仍然較高，中度及以上等級的生態(tài)風(fēng)險區(qū)的面積占比分別達到了64.87%，55.96%，100%。耕地在整個研究區(qū)內(nèi)呈均勻分布，此景觀類型長期受人類活動的影響，導(dǎo)致其景觀破碎度較高、生態(tài)環(huán)境較脆弱，生態(tài)風(fēng)險等級為低度和較低的面積占比僅為37.93%。建筑用地主要分布于研究區(qū)中下游地區(qū)的河流沿岸以及地勢較為平坦的區(qū)域，是人類進行社會活動的主要場所，受人為活動的干擾最為嚴(yán)重，因此導(dǎo)致其生態(tài)風(fēng)險等級為中度及以上的面積總和占比達到了71.20%。

圖4 涪江流域各景觀類型生態(tài)風(fēng)險等級分布

4 討論與結(jié)論

4.1 討 論

在研究思路和方法上，與利用壓力—狀態(tài)—響應(yīng)模型(PSR)[37]、驅(qū)動力—狀態(tài)—響應(yīng)模型(DSR)[38]、驅(qū)動力—壓力—狀態(tài)—沖擊響應(yīng)模型(DPSIR)等[39]方法研究景觀生態(tài)風(fēng)險相比較，本研究著重從“自然—社會—景觀格局”3個維度選取景觀生態(tài)風(fēng)險脅迫因子構(gòu)建生態(tài)風(fēng)險評價模型，基于空間主成分分析法(SPCA)和空間自相關(guān)分析方法著重對涪江流域景觀生態(tài)風(fēng)險的空間異質(zhì)性特征進行探討，從3個維度綜合的選取景觀生態(tài)風(fēng)險脅迫因子進行景觀生態(tài)風(fēng)險指數(shù)計算，可以改善單一指標(biāo)對風(fēng)險賦值的單一性和主觀性。而空間主成分分析法(SPCA)可以客觀的計算出各生態(tài)風(fēng)險脅迫因子的權(quán)重，避免了多指標(biāo)評判權(quán)重的不完善，進一步揭示了區(qū)域景觀生態(tài)風(fēng)險形成的內(nèi)在機制[40]。通過研究發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)景觀生態(tài)風(fēng)險指數(shù)值在空間上的分布中不是隨機的，而是存在顯著的空間依賴性和異質(zhì)性特征，得出的結(jié)果與研究區(qū)的景觀生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀較為吻合，對今后涪江流域的景觀生態(tài)建設(shè)具有一定的指導(dǎo)意義。但是由于本研究側(cè)重點在于景觀生態(tài)風(fēng)險的空間異質(zhì)性研究，由于篇幅的限制以及其他的客觀原因?qū)τ谏鷳B(tài)風(fēng)險的變化趨勢方向以及優(yōu)化等內(nèi)容尚未展開研究，在后續(xù)的研究工作中需要更進一步的深化。

4.2 結(jié) 論

(1) 生態(tài)風(fēng)險評價的結(jié)果主要受自然因子和景觀格局因子的影響較大，社會因子的作用較小。景觀生態(tài)風(fēng)險指數(shù)在空間分布上呈聚集模式，“熱點”主要分布在研究區(qū)上游和下游區(qū)域，“冷點”主要分布在中游區(qū)域，并且具有很強的空間正相關(guān)性。

(2) 由于受多種因子相互作用和影響，涪江流域的景觀生態(tài)風(fēng)險指數(shù)的空間異質(zhì)性特征較為明顯，生態(tài)風(fēng)險等級整體上呈西北部的高于東南部；低度、較低、中度、較高、高度生態(tài)風(fēng)險等級在整個研究區(qū)內(nèi)所占的比例分別為19.32%，20.72%，25.43%，25.38%，14.55%，中度及以上的生態(tài)風(fēng)險等級占了總面積的65.36%。研究表明涪江流域所面臨的生態(tài)風(fēng)險問題較為嚴(yán)峻。

(3) 綜合景觀生態(tài)風(fēng)險空間分布與景觀類型有著密切的聯(lián)系，較低、低度生態(tài)風(fēng)險區(qū)主要分布于灌木、濕地和水體等景觀類型中；中度及以上生態(tài)風(fēng)險區(qū)受海拔、坡度、土壤類型等自然因素影響，主要分布于上游以林地、草地、等為主的景觀類型中。